Общая схема конструкции предложенной системы для добычи воды из лунного грунта с различными сценариями ее применения: водоснабжение, полив растений, выработка водорода и кислорода / © Xiao Chen et. al., Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen, The Innovation
Хочется пить, мыться, поливать теплицу и улетать потом домой? Просто добавь жару! Новая методика, предложенная китайскими учеными, позволит добывать жизненно важную жидкость прямо из лунного грунта, даже если концентрация воды в нем минимальна. Ее эффективность успешно проверили на образцах реголита, которые удалось получить в рамках миссии «Чанъэ-5».
Вода неоспоримо важна для любой человеческой деятельности. Мы с ее помощью моемся, готовим пищу и, конечно, употребляем в чистом виде — пьем. Помимо этого живительная влага необходима для множества технологических и медицинских процедур. Наконец, из воды можно сравнительно легко (было бы электричество) получить чрезвычайно эффективную топливную пару для ракетных двигателей: кислород с водородом.
Издревле любые путешествия людей в значительной мере были ограничены доступностью питьевой воды. Если нет возможности пополнить ее запасы по пути, невозможно безопасно идти, ехать, плыть или лететь, дольше, чем позволяет безжалостная математика уравнения «объем бочки деленный на минимальный дневной норматив потребления всеми участниками экспедиции». И космонавтика не исключение, причем взять с собой емкость побольше очень трудно — каждый килограмм полезной нагрузки на счету.
Поэтому любые длительные вояжи в межпланетное пространство или на лишенные воды небесные тела, например Марс и Луну, столь сложны технически. И именно поэтому любые рабочие способы пополнить запасы воды настолько важны для будущего космонавтики. Китайские инженеры и ученые, похоже, произвели небольшую революцию в освоении естественного спутника Земли. Они экспериментально подтвердили, что, используя сравнительно простую технологию, можно легко обеспечить лунную экспедицию местной водой для всех возможных применений в полном объеме.
Наличие воды на Луне — вопрос закрытый, она там есть, только ее очень мало. Среднее содержание H2O и гидроксид-иона (OH–) в лунном реголите варьируется от десяти до тысячи частей на миллион. Проще говоря, в самом оптимистичном случае из тонны местного грунта получится добыть килограмм воды. Предложенная исследователями из Поднебесной методика позволяет превзойти этот показатель в пятьдесят раз. Причем работали они со сравнительно «сухим» реголитом — собранные зондом «Чанъэ-5» образцы имеют всего лишь 283 части воды на миллион.
Электронная микроскопия лунного реголита, нагретого до 973 градусов Кельвина, — предварительная стадия предлагаемой технологии добычи воды. На этом этапе атомарный водород, заключенный в нанометровых полостях кристаллической решетки минералов, начинает восстанавливать оксиды железа. Формируются пузырьки пара и кристаллы чистого железа. Голубые кадры сделаны просвечивающим электронным микроскопом (TEM) с разным увеличением, кадры болотного цвета — просвечивающим растровым электронным микроскопом (STEM) / © Xiao Chen et. al., Massive Water Production from Lunar Ilmenite through Reaction with Endogenous Hydrogen, The Innovation
Дело в том, что большая часть уже обнаруженной на Луне воды вырабатывается прямо в грунте. Солнечный ветер, один из основных компонентов которого — протоны, бомбардирует лунную поверхность. В ней эти протоны «воруют» электроны у попавшихся на пути молекул и превращаются в атомарный водород. Большая его часть сразу улетучивается в космическое пространство, но некоторое количество успевает либо вступить в реакцию, либо остается застрявшим в кристаллической решетке разных минералов.
В первом случае атомарный водород имеет шанс позаимствовать кислород у какого-нибудь оксида и в результате получается гидроксил-ион. Когда он «подхватывает» еще один атом водорода, образуется молекула воды. Поскольку в месте посадки «Чанъэ-5» поверхность сравнительно молодая, в ней накопилось недостаточно много OH– или H2O. Но в нанополостях минералов реголита всегда на порядки больше спрятанного атомарного водорода.. Лабораторный анализ показал, что как минимум в выбранных для эксперимента образцах, содержалось примерно 0,56 процента атомарного водорода по массе.
Использовать его для получения воды принципиально очень просто: при нагреве до 1200-1500 градусов атомарный водород отлично восстанавливает оксиды металлов (особенно железа), а побочным продуктом становится вода. Да, температуры высокие, но достижимые, например, с помощью гелиоконцентратора — зеркала, фокусирующего отраженный солнечный свет на малой площади. Такие установки способны сравнительно быстро выпаривать воду из лунного реголита в промышленных масштабах. А отход этого процесса можно будет использовать как строительный материал или сырье для добычи металлов.
Статья с подробным описанием эксперимента, его методики и всестороннего анализа предложенной технологии опубликована в рецензируемом журнале The Innovation. Авторы исследования подсчитали, что из одного грамма реголита, собранного «Чанъэ-5», можно получить 51-76 миллиграммов воды и 157 миллиграммов чистого железа. То есть из одной тонны выходит не менее 50 килограммов питьевой воды. Китайские ученые указывают, что этого хватит на обеспечение жидкостью полусотни лунных колонистов. Хотя норма литр воды на человека выглядит несколько жестокой, опыт NASA показывает: необходимо минимум два, а во время работы в скафандре и того больше (по 240 миллилитров на каждый час работы).
Логично предположить, что в случае более старого реголита или взятого поближе к полюсам выработка воды с тонны породы может быть радикально выше. И это хорошие новости, даже если не получится полностью обеспечить экспедицию за счет местных ресурсов, можно рассчитывать на пополнение запасов и брать с Земли минимальную норму. Вдобавок существует еще лунная вечная мерзлота — подповерхностные слои грунта с повышенным содержанием ледяных кристаллов (порядка 0,1-1 процента по массе), которые находятся в некоторых приполярных регионах. И если учесть все это, будущее экспедиций на Луну выглядит чуть более радужным.
